Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали компактный многопетаваттный лазер, в котором используются массивы плазменной передачи для преодоления ограничений мощности обычных твердотельных оптических массивов. Конструкция может позволить создать сверхбыстрый лазер, который будет в 1000 раз мощнее существующих лазеров того же размера.
Об этом сообщает сайт MyWebInsur. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
В петаваттных (квадриллион-ваттных) лазерах используются дифракционные решетки для усиления чирпированных импульсов (CPA), обеспечивающих сжатие высокоэнергетического лазерного импульса во избежание повреждения оптических компонентов. CPA, получивший Нобелевскую премию по физике в 2018 году, лежит в основе передовых радиографических возможностей лазера National Ignition Facility (NIF) в Ливерморе.
С порогом повреждения на несколько порядков выше, чем у обычных отражающих решеток, плазменные решетки «позволяют нам обеспечить гораздо большую мощность для решетки того же размера», – сказал один из соавторов исследования LLNL Мэтью Эдвардс.
Он также пояснил: «Энергия лазера распределяется для поддержания низкой локальной интенсивности. Поскольку плазма более устойчива к оптическим повреждениям, чем, например, кусок стекла, мы можем представить себе создание лазера, который производит в сотни или тысячи раз больше энергии, чем существующая система, не увеличивая эту систему в размерах».
LLNL, имеющая 50-летний опыт разработки высокоэнергетических лазерных систем, также является давним лидером в разработке и производстве крупнейших в мире дифракционных решеток, таких как используемые для генерации импульсов мощностью 500 петаватт на лазере Nova в 1990-х годах. Однако для мультипетаваттных и экзаваттных (1000 петаваттных) лазеров следующего поколения потребуются массивы еще большего размера, чтобы преодолеть ограничения максимальной плотности потока энергии, накладываемые традиционной твердотельной оптикой.
Эдвардс отметил, что оптика, состоящая из плазмы, смеси ионов и свободных электронов, «хорошо подходит для лазеров с относительно высокой частотой повторения и высокой средней мощностью». Новый дизайн может, например, позволить лазерную систему, аналогичную по размеру L3 HAPLS (усовершенствованная петаваттная лазерная система с высокой частотой повторения), которая будет развернута на линиях ELI Beamlines в Чешской Республике, но с пиковой мощностью в 100 раз больше.
Разработанный и построенный LLNL и поставленный ELI Beamlines в 2017 году, HAPLS был разработан для производства 30 джоулей энергии при длительности импульса 30 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), что эквивалентно одному петаватту, на частоте 10 герц (10 импульсов в секунду).
По словам исследователей, хотя плазменная оптика успешно использовалась в плазменных зеркалах, их использование для сжатия мощных импульсов было ограничено сложностью создания достаточно однородной большой плазмы и сложной динамикой нелинейных плазменных волн. В новой конструкции такая неоднородность будет минимальной проблемой для всей системы, что обеспечивает реальный путь к следующему поколению сверхмощных лазеров.
Основываясь на проведенном моделировании работоспособности системы, исследователи LLNL заявили: «Мы ожидаем, что новый подход сможет обеспечить степень стабильности, недостижимую с другими механизмами сжатия в основе плазмы, и может оказаться более осуществимым на практике». По их утверждению, новая конструкция «требует только газа в качестве исходной среды, устойчива к изменениям условий плазмы и сводит к минимуму объем плазмы, чтобы обеспечить достаточную однородность».